Enhanced Nitrate‐to‐Ammonia Efficiency over Linear Assemblies of Copper‐Cobalt Nanophases Stabilized by Redox Polymers

材料科学 氧化还原 化学工程 硝酸盐 聚合物 纳米技术 无机化学 有机化学 化学 工程类 复合材料 冶金
作者
Wenhui He,Shubhadeep Chandra,Thomas Quast,Swapnil Varhade,Stefan Dieckhöfer,João R. C. Junqueira,Huimin Gao,Sabine Seisel,Wolfgang Schuhmann
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:35 (32) 被引量:41
标识
DOI:10.1002/adma.202303050
摘要

Renewable electricity-powered nitrate (NO3- ) reduction reaction (NO3 RR) offers a net-zero carbon route to the realization of high ammonia (NH3 ) productivity. However, this route suffers from low energy efficiency (EE, with a half-cell EE commonly <36%), since high overpotentials are required to overcome the weak NO3- binding affinity and sluggish NO3 RR kinetics. To alleviate this, a rational catalyst design strategy that involves the linear assembly of sub-5 nm Cu/Co nanophases into sub-20 nm thick nanoribbons is suggested. The theoretical and experimental studies show that the Cu-Co nanoribbons, similar to enzymes, enable strong NO3- adsorption and rapid tandem catalysis of NO3- to NH3 , owing to their richly exposed binary phase boundaries and adjacent Cu-Co sites at sub-5 nm distance. In situ Raman spectroscopy further reveals that at low applied overpotentials, the Cu/Co nanophases are rapidly activated and subsequently stabilized by a specifically designed redox polymer that in situ scavenges intermediately formed highly oxidative nitrogen dioxide (NO2 ). As a result, a stable NO3 RR with a current density of ≈450 mA cm-2 is achieved, a Faradaic efficiency of >97% for the formation of NH3 , and an unprecedented half-cell EE of ≈42%.
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